10月30日，宁波东方理工大学(暂名)物理学院院长、讲席教授魏苏淮，联合中国科学院半导体研究所骆军委研究员、邓惠雄研究员研究组，以“通过降低原子化学键强度诱导的光学声子软化避免退极化效应(Softening of the optical phonon by reduced interatomic bonding strength without depolarization)”为题的论文，发表在《Nature》杂志。

　　《Nature》也同期以“应力可以使节能储存器件成为可能(Strain could enable energy-saving memories)”为题，介绍了这项研究成果。该研究为未来电子器件的超小型化、高性能化开辟了新方向，实现了基础研究与应用相结合的重大突破。

　　晶体管通过持续小型化提升集成度的摩尔定律已接近物理极限。主要瓶颈是晶体管功耗难以等比例降低。进一步降低功耗有两个主要途径：

　　其一，寻找拥有比HfO2 等更高介电常数和更大带隙的新型高k氧化物介电材料，在确保不降低栅控能力的前提下增厚栅介电层，遏制量子隧穿效应引起的栅极漏电流。

　　另一个途径，是采用铁电/电介质栅堆叠的负电容晶体管(NCFET)，实现更低的工作电压和功耗。

　　氧化物高k介电常数和铁电相变一个重要因素是光学声子软化。通常认为，光学声子软化来自强Born有效电荷引起的长程库伦相互作用和弱的原子化学键，极化效应导致材料的介电常数与带隙通常成反比，难以同时拥有高介电常数和大带隙。此外，铁电材料受限于强Born有效电荷引起的界面退极化效应，使其难以应用于大规模集成的纳米尺度器件。

　　研究团队注意到，rs-BeO反常地拥有10.6eV的超宽带隙，并且其介电常数高达271ɛ0，远超HfO2的6eV带隙和25ɛ0介电常数。研究揭示，由于rs-BeO中的Be原子很小，导致相邻两个负氧离子的电子云高度重叠，产生强烈的库仑排斥力，拉升了Be-O的原子间距，显著降低了Be-O键的强度和光学声子模频率，导致其介电常数从闪锌矿相的3.2ɛ0(闪锌矿相中氧离子相距较远电子云重叠很小)跃升至271ɛ0。

　　基于这一发现，研究团队提出，通过拉升原子键长度来降低原子键强度，可有效地实现光学声子模软化。进一步研究发现，通过该方式诱导的光学声子模软化驱动的铁电相变，不依赖传统铁电相变所需的强库仑相互作用，因此可以有效避免界面退极化效应。

　　研究团队利用上述理论，成功解释了在Si/SiO2衬底上外延生长的Hf0.8Zr0.2O2和ZrO2薄膜在厚度降低到2-3nm时才出现铁电性的“逆尺寸效应”，即：当Hf0.8Zr0.2O2或ZrO2薄膜减薄至2-3nm时，衬底晶格失配对外延薄膜施加的双轴应变，显著地降低原子键强度，软化光学声子模使其频率降低至零因而导致铁电相变。理论预测的长宽比和面间距两个特征结构因子可以完美重复实验测量值。

　　由于离子半径差异、应变、掺杂和晶格畸变都可以拉升原子键长度降低原子键强度，该发现为通过离子半径差异、应变、掺杂或晶格畸变等手段来实现薄膜铁电相变，提供了统一的理论框架。

　　由于光学声子模软化是凝聚态物理中的高k介电材料、铁电材料、热电材料和多铁材料等实现的关键因素，所以该研究成果为设计晶体管高k介电层和发展兼容CMOS工艺的超高密度铁电、相变存储等新原理器件提供了新思路，为未来电子器件的超小型化、高性能化开辟了新方向。

图. ZrO2在(101)平面双轴应变作用下的动力学特性。

　　半导体研究所曹茹月博士为论文第一作者；宁波东方理工大学(暂名)魏苏淮教授和半导体研究所骆军委研究员、邓惠雄研究员为共同通讯作者。其他合作者还包括剑桥大学John Robertson教授。

　　文章链接：

　　https://doi.org/10.1038/s41586-024-08099-0

魏苏淮

讲席教授

宁波东方理工大学(暂名)物理学院院长

　　魏苏淮1981年获得复旦大学物理学学士学位，1985年获得美国威廉玛丽学院(College of William and Mary)理学博士学位。2015年全职回国后担任北京计算科学研究中心讲席教授，材料与能源研究部主任。他是美国物理学会会士(APS Fellow，1999)，国际材料学会(MRS Fellow，2014)会士。

　　魏苏淮为科技部重点研发计划首席科学家，主持基金委重大项目。他还担任了国际三元和多元化合物会议(ICTMC-22)和国际半导体缺陷会议(ICDS-33)大会主席。截至2024年10月，已发表论文600余篇，其中70余篇发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上，被引用次数超过80000次，H指数大于137(Google Scholar)。

　　魏苏淮长期从事凝聚态物理的理论计算研究，通过发展第一性原理计算方法，在半导体的电子结构、无序合金、缺陷和掺杂、磁性半导体、光电及能源材料等方面取得了系统的原创性成果。他与合作者发展的第一性原理全电子、全势的FLAPW方法是目前计算固体电子结构最精确的方法；他与合作者提出的计算无序合金物理性质的特殊准随机结构(SQS)方法是目前第一性原理计算合金性质的标准方法；他发展了第一性原理半导体缺陷计算方法，与合作者建立了半导体平衡态掺杂极限定则。